王成國(guó)，常博文，王良斌

(大連中車柴油機(jī)有限公司，遼寧 大連　116022)

引言

現(xiàn)在電力電子技術(shù)的得到了充足的發(fā)展，電力電子裝置也廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中。伴隨著電力電子裝置的大量應(yīng)用，其產(chǎn)生的諧波污染問題也隨之出現(xiàn)。大量諧波的存在直接影響了電子設(shè)備的正常使用，使某些電氣測(cè)量?jī)x表測(cè)量誤差加大，甚至導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤、保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作、跳閘等。正弦交流電流經(jīng)整流器、電抗器這些非線性負(fù)荷后，電流波形發(fā)生明顯畸變，但使用普通萬用表測(cè)量其相應(yīng)的電壓、電流等值又都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。因此，用來測(cè)量正弦波電量的測(cè)量工具將不適用于畸變波形的測(cè)量，在試驗(yàn)或電氣故障檢測(cè)分析時(shí)，有必要針對(duì)電量波形的不同選擇相應(yīng)的測(cè)量工具。

1　發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)與問題的提出

1.1　發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)

G1—發(fā)電機(jī)；QF1—交流斷路器；L1—電抗器；UR1—整流器；QF2—直流斷路器；R1—水電阻圖1　試驗(yàn)電氣原理圖

本研究柴油機(jī)主要應(yīng)用在機(jī)車領(lǐng)域，因此試驗(yàn)站的試驗(yàn)設(shè)備根據(jù)機(jī)車實(shí)際工況進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。試驗(yàn)站試驗(yàn)設(shè)備有整流柜、水電阻、電抗器等。發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電須經(jīng)過整流柜的整流后連接水電阻。試驗(yàn)站用水電阻做為有功負(fù)載，電抗器做為無功負(fù)載。針對(duì)2 000 kW柴油發(fā)電機(jī)組出廠試驗(yàn)進(jìn)行分析。

測(cè)量工具分別采用FLUKE 15B型萬用表和青智8961C1發(fā)電機(jī)專用測(cè)試儀(真有效值測(cè)量?jī)x器)。

試驗(yàn)電氣原理如圖1所示。

1.2　問題提出

在進(jìn)行機(jī)組發(fā)電機(jī)試驗(yàn)時(shí)，控制柜上的儀表顯示功率已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)值，但試驗(yàn)站內(nèi)功率還未達(dá)到預(yù)定值。控制柜上的AGC控制器與青智測(cè)量試儀測(cè)量值一致，均比試驗(yàn)站內(nèi)測(cè)量?jī)x表值要大。

通過查找資料以及與測(cè)量?jī)x器廠家技術(shù)人員交流，初步確定問題在于發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓、電流等經(jīng)過整流裝置后，其波形發(fā)生了畸變，其波形已不再是正弦波。因此，試驗(yàn)站內(nèi)普通測(cè)量?jī)x表已經(jīng)不再適用，必須使用能夠測(cè)量畸變波形的測(cè)量?jī)x器(真有效值測(cè)量原理)進(jìn)行測(cè)量。

2　有效值的測(cè)量原理

2.1　有效值測(cè)量的相關(guān)定義

有效值(RMS_root mean square)其是根據(jù)熱量相等的原理來進(jìn)行定義的。即在電流波形的一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)，交流電流通過一個(gè)電阻所產(chǎn)生的熱量與直流電流通過該電阻所產(chǎn)生的熱量相等，也可以說它們所做的功相等。那么這一直流電就稱為該交流電的有效值。

真有效值(True_RMS)是對(duì)復(fù)雜波形來說的，專門針對(duì)復(fù)雜波形的一種術(shù)語。它是對(duì)復(fù)雜波形求均方根值，其算法原理與有效值相同。

平均值(Average value)是指在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)，交流電絕對(duì)值的平均值。

2.2　有效值公式推導(dǎo)

在時(shí)間T內(nèi)，周期性電流i流過一個(gè)電阻R,產(chǎn)生的熱量W1為：

(1)

在時(shí)間T內(nèi)，直流電流I流過電阻R產(chǎn)生的熱量W2為：

W2=I2RT。

(2)

根據(jù)交流電有效值的定義，可知

(3)

對(duì)于正弦交流電i的最大值Im和有效值I之間的關(guān)系，有：

(4)

2.3　平均值公式推導(dǎo)

根據(jù)平均值定義，得

(5)

對(duì)于正弦電流i=Imsinωt，它的平均值：

(6)

3　真有效值的測(cè)量

3.1　普通測(cè)量工具工作原理

普通測(cè)量工具是根據(jù)“平均讀數(shù)，按有效值校準(zhǔn)”的測(cè)量原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。即先測(cè)出其平均值，然后再乘以正弦波形因數(shù)1.11所得到的乘積，這個(gè)乘積也被稱為有效值。這種測(cè)量方法被廣泛應(yīng)用于所有的模擬測(cè)量?jī)x器和所有指針儀表和大多數(shù)電流表、數(shù)字萬用表上。根據(jù)該工作原理設(shè)計(jì)制造的測(cè)量?jī)x器只適用于純正弦波。

常用萬用表設(shè)計(jì)原理如圖2。

圖2　常用萬用表設(shè)計(jì)原理圖

3.2　真有效值測(cè)量工具工作原理

真有效值測(cè)量工具工作原理是根據(jù)其有效值的均方根值定義進(jìn)行設(shè)計(jì)的。真有效值測(cè)量工具工作時(shí)，電路對(duì)輸入交流信號(hào)(電流/電壓)的瞬時(shí)值先進(jìn)行平方運(yùn)算，然后再按時(shí)間進(jìn)行取平均值計(jì)算，最后將這個(gè)平均值進(jìn)行開方，即得到有效值。運(yùn)用這種測(cè)量原理設(shè)計(jì)的測(cè)量工具、儀表能夠精確測(cè)量各種波形的有效值。

真有效值工作原理如圖3：

圖3　 真有效值設(shè)計(jì)原理圖

從兩種測(cè)量工具原理可以看出,盡管上述兩種測(cè)量工具在測(cè)量畸變的波形的時(shí)讀數(shù)不相同，但它們?cè)跍y(cè)量正規(guī)正弦波時(shí)的讀數(shù)卻是一致的。可以用這種工作狀態(tài)作為兩種測(cè)量工具的校準(zhǔn)狀態(tài)。

交流電的有效值與平均值是兩個(gè)不同的概念，一般說，有效值要比平均值大些。磁電式儀表指針的偏轉(zhuǎn)角度正比于通過偏轉(zhuǎn)線框的電流強(qiáng)度。對(duì)于單向脈動(dòng)電流來說，指針的偏轉(zhuǎn)角度正比于電流的平均值。在磁電式儀表中增加整流二極管以便測(cè)量交流電流時(shí)，該儀表測(cè)量的其實(shí)是交流電流的平均值。在日常生活中，一般接觸到的都是有效值，絕大部分交流儀表的表盤也都是按“有效值”來進(jìn)行刻度的。在進(jìn)行電量測(cè)量時(shí)，要加以注意。

4　測(cè)量誤差分析

4.1　試驗(yàn)波形對(duì)比

圖4a)為經(jīng)過整流柜與負(fù)載接通時(shí)的試驗(yàn)波形；圖4b)是不經(jīng)過整流柜接三相交流負(fù)載時(shí)試驗(yàn)波形。通過對(duì)比，可看出經(jīng)過整流柜非線性負(fù)載后，波形產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變。

a)畸變波形　　　　　　　　　　　b)正常波形圖4　波形對(duì)比圖

4.2　誤差分析

因真有效值儀表與普通儀表的測(cè)量原理不同，因此測(cè)量的波形范圍也不同。普通儀表只能測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)正弦波，而真有效值儀表不僅能測(cè)量正弦波還可以測(cè)復(fù)雜波形。若用普通儀表測(cè)量含有諧波的非正弦波，其測(cè)量結(jié)果誤差很大。非正弦波的波形因數(shù)不再是1.11。

例如：一個(gè)功率為2 000 kW的發(fā)電機(jī)組，額定電壓為725 V，頻率50 Hz,功率因數(shù)0.8(滯后)，負(fù)載為整流柜、電感、水電阻。在試驗(yàn)時(shí)，電壓測(cè)量值如表1。

表1　電壓值表

表2　功率值表　kW

在試驗(yàn)時(shí)，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下測(cè)量電壓電流值后計(jì)算得到的功率值如表2。

試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于正弦交流電通過非線性負(fù)載后的畸變波形測(cè)量，不可以用普通測(cè)量工具，應(yīng)使用真有效值測(cè)量?jī)x器。這樣才能保證測(cè)量準(zhǔn)確，使用普通測(cè)量?jī)x器，會(huì)是試驗(yàn)設(shè)備處于過壓、過載狀態(tài)。

5　結(jié)論

通過對(duì)上例試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得出如下結(jié)論：

1)在空載試驗(yàn)時(shí)，因波形為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，未發(fā)生畸變，普通萬用表及真有效值儀表測(cè)量值一致。

2)在負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，電壓波形產(chǎn)生畸變，普通萬用表測(cè)量值偏小;隨著負(fù)載增加，電壓波形畸變?cè)龃?，普通萬用表測(cè)量值更小。但真有效值儀表測(cè)量值保持不變。

3)在負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，若以普通萬用表為準(zhǔn)，則設(shè)備將處于過壓、過載狀態(tài)。當(dāng)工作電流大于斷路器允許的電流時(shí)，斷路器工作在過流狀態(tài)，長(zhǎng)期過流將會(huì)引起跳閘。

對(duì)于本案涉及的試驗(yàn)站及類似的負(fù)載設(shè)備，應(yīng)注意輸出波形的畸變問題，建議：

1)試驗(yàn)站采用整流柜加水電阻方式將交流電轉(zhuǎn)化為直流進(jìn)行試驗(yàn)，雖然模擬了機(jī)車負(fù)載工況，但卻引入了電量波形畸變。

2)在負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，采用普通儀表測(cè)量，測(cè)量值明顯偏低。低估柴油發(fā)電機(jī)組的功率輸出。若普通儀表測(cè)量值達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，此時(shí)，機(jī)組實(shí)際輸出已經(jīng)過壓、過載。因此試驗(yàn)站也要引進(jìn)先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，保護(hù)好發(fā)電機(jī)組，并能節(jié)約能源。

3)試驗(yàn)站引進(jìn)三相交流測(cè)試設(shè)備，從根本上解決畸變波形產(chǎn)生的問題，即使采用普通測(cè)量?jī)x表也可以準(zhǔn)確測(cè)量。

4)對(duì)于電站、船舶、機(jī)車等必須使用整流柜這樣的電力電子裝置作為負(fù)載的場(chǎng)合，為避免測(cè)量誤差產(chǎn)生及測(cè)量的準(zhǔn)確性，建議采用能測(cè)量畸變波形的真有效值測(cè)量?jī)x表。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃操軍.變流技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].中國(guó)水利水電出版社，2002.

[2]曲用印.電力電子變流技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社,2002.

[3]孫俊香.基于真有效值算法的電壓測(cè)量?jī)x表的方案設(shè)計(jì)[D].濰坊：濰坊學(xué)院，2010.

[4]沙占友,李學(xué)芝.中外數(shù)字萬用表電路原理與維修技術(shù)[M].人民郵電出版社，1993.